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原文传递镁/水着火燃烧模型及高温均相反应机理研究

论文题名：	镁/水着火燃烧模型及高温均相反应机理研究
关键词：	水冲压发动机;镁铝合金;镁;燃烧模型;高温均相反应
摘要：	水冲压发动机是一种新型的水下推进装置，其只携带水反应金属燃料，并以外界环境中的海水为主要氧化剂。通过金属燃料与水反应产生发动机所需推力，因此具有较高的质量能量密度和体积能量密度。综合比较各种金属与水反应的能量密度及反应活性，认为金属镁是水反应金属燃料的首选。研究镁/水反应机理是掌握水反应金属燃料与水的反应机理的基础，对于提高该类发动机燃烧效率和能量转换效率有重要意义。本文主要进行了四个方面的研究，包括镁在水蒸气中着火和燃烧的机理及模型研究，镁/水高温均相化学反应机理研究，镁铝合金在水蒸气中燃烧特性研究。　　本文首先研究了镁在水蒸气中的着火机理及模型，在高温管式炉中考察了加热速率、水蒸气浓度和粒径等因素，对镁颗粒着火温度和着火延迟时间的影响规律。在此基础上建立了镁颗粒在水蒸气中着火的能量方程，对能量方程中各控制变量进行分析简化，根据实验结果计算得到了不同粒径镁颗粒在水蒸气中着火的动力学参数，并对不同粒径的镁颗粒在水蒸气中的着火温度和着火时间进行了预测。　　然后研究了镁在水蒸气中的燃烧机理和模型，在可视化氙灯加热燃烧试验台上利用高速照相机拍摄了镁颗粒燃烧过程中表面形态的变化，检测了燃烧火焰的发射光谱，通过燃烧火焰中镁、氧化镁等物质的特征谱线确定了颗粒的燃烧时间，对不同粒径镁颗粒的燃烧时间进行测量。在实验的基础上，建立了镁颗粒在水蒸气中准稳态燃烧的物理数学模型，认为该过程为受扩散控制蒸发燃烧过程，同时考虑了氧化镁冷凝沉积等因素对燃烧过程的影响。根据模型计算得到的镁颗粒的燃烧时间，常压下与直径的2.5次幂近似成正比，高压下与直径的1.5次幂近似成正比，并与水蒸气浓度的0.9幂成反比关系，与实验结果基本吻合。同时对100μm镁颗粒在不同环境温度中的氧化、着火和燃烧过程进行了数值模拟，　　利用量子化学方法研究了镁/水高温均相化学反应机理，在B3LYP/6-311++G(3df,2p)水平上优化了镁/水反应的反应物、生成物、过渡态和中间体的结构，并用G2M(CC2)方法计算了反应通道上各驻点的能量，结果显示高温下镁/水的均相化学反应，先生成一个非平面结构的镁/水加合物Mg·OH2，其可以通过氢原子解离途径生成最终产物，反应中间体为MgOH和H;也可以通过氢原子转移途径生成最终产物，反应中间体为HMgOH。通过量子化学估算两个过程的活化能分别为48.28 kcal/mol和32.51 kcal/mol。根据计算得到反应途径及势能面数据，采用变分过渡态理论计算了高温下镁冰均相化学反应速率，并应用零曲率隧道法对反应速率进行了修正，计算得到在1000 K～5000 K温度范围内，镁/水均相总反应速率为k=3.85×10-10×T0.39×exp(-17852/T)。在此基础上，建立了高温下镁/水详细的反应机理和相应的燃烧数学模型，并利用CHEMKIN程序中的OPPDIF模块对镁/水燃烧火焰进行模拟分析。　　最后研究了镁铝合金在水蒸气中的燃烧特性，分别对金属镁、铝以及铝含量分别为40％、50％和60％的三种镁铝合金粉末的理化特性和物质组成进行了分析。并通过高温氢氧焰试验台研究了镁铝合金的燃烧特性，发现燃烧过程可分为两个阶段:第一阶段镁燃烧的时间基本不变，而第二阶段铝燃烧的时间随着铝含量的增加逐渐变长。对收集的燃烧产物进行了XRD检测，在此基础上分析了镁铝合金与水蒸气的反应途径，认为在合金中镁含量较多时，燃烧产物主要为MgO和MgAl2O4，只有当铝含量较多时，燃烧产物中才会出现Al2O3。
作者：	韩志江
专业：	工程热物理
导师：	周俊虎;刘建忠;杨卫娟
授予学位：	博士
授予学位单位：	浙江大学
学位年度：	2012
正文语种：	中文